隔水导管是连接海底井口与海上平台的关键设备,主要用于钻井或液体传送等用途。由于其具有细长圆柱型结构,当流体经过后,会在其后方形成规律的漩涡脱落并引起结构的周期性振动,最终可导致结构疲劳破坏,是海洋工程中最常见的问题之一。自升式钻井平台属于海上固定式平台,广泛用于大陆架(水深200米以内)海域的油气勘探开发。不同于深水立管主要受到海流的影响,应用在自升式钻井平台的隔水导管,还将同时受到波浪作用的影响,尤其是我国南海海域夏季台风频繁,引起的大浪可达十几米,其影响不可忽视。此外由于自升式钻井平台作业中平台整体将升离水面一定高度,相对水深也会对隔水导管的振动响应产生影响。工程中为增加隔水导管的稳定性,通常在其顶部施加一定的张紧力,保持隔水管稳定并抑制其振动。因此对于在海流、波浪、张紧力和变水深等因素联合作用下,隔水导管的振动响应具有一定的特殊性,是一个比较复杂的流固耦合问题。本论文将开展模型试验和数值模拟工作,研究多荷载作用下的隔水管的动力响应特性,这对于海洋工程隔水导管的设计和维护具有一定的工程意义,同时在多荷载作用下细长垂直圆柱振动响应研究领域也具有一定的科学价值。本论文工作内容和主要成果主要包括以下几个方面:(1)基于相似理论和量纲分析开展水槽模型试验,采用有机玻璃管模拟隔水导管,采用底端固支和顶端铰支的固定方式,隔水管模型长径比150。利用光纤布拉格光栅(FBG)应变传感器测量隔水管振动引起的动态应变,并基于模态分析法得出振动位移。研究了海流、波浪、顶张力以及变水深等条件下隔水导管的振动特性,分别对位移标准差空间分布、横向和流向振动位移、振动频率和特征点的运动轨迹进行了分析。最后利用CFD开源软件OpenFOAM,对隔水管尾涡脱落模式以及受力特性进行了数值模拟和分析,并揭示了波流作用下隔水管振动响应的流动机理。(2)实验研究发现:与单独波浪及单独水流条件下隔水管振动响应不同,波流共同作用条件下,隔水管横向和流向的振幅都很明显,振幅处于同一量级。在隔水管发生锁定的流速条件下,加入波浪后,随着波高增大,横向涡激振动的幅值出现了减小趋势。波流共同作用下,流向振动主要由波浪力导致,横向振动由涡激力导致,流向和横向均出现了多频现象,分别受波频率和锁定频率主导,首次发现隔水管运动轨迹出现了多“8”字形式;在结合顶张力后,隔水管运动轨迹变得更加复杂。(3)数值分析表明:隔水管尾涡在水面附近位置处形态和强度变化较大,在中部和底部脱落保持稳定状态,说明了波浪对隔水管振动的干扰作用主要集中在水面附近位置。隔水管振动频率出现多频现象,且与主频之间相差一倍波频率的关系,隔水管流向和横向作用力和实验中隔水管运动响应具有一致性。